第3章 第3节 变压器-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册五维课堂同步课件PPT（人教版2019）

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(2)副线圈：与 负载 连接的线圈，也叫 次级线圈 ． 2．原理： 互感 现象是变压器的工作基础．电流通过原线圈时在铁芯中激发 磁场 ，由于电流的大小、方向不断变化，铁芯中的 磁场 也在不断变化，变化的磁场在副线圈中产生 感应电动势 ． 3．作用：改变交变电流的电压，在输入的电压一定时，原、副线圈取不同的 匝数 ，副线圈输出的电压也不一样． 4．理想变压器：没有 能量 损失的变压器． 知识点二、电压与匝数的关系 1．电压关系：理想变压器的原、副线圈电压之比，等于原、副线圈的 匝数 之比．公式：eq \f(U1,U2)＝ eq \f(n1,n2) . 2．变压器效率：变压器的 输出 功率与 输入 功率之比． 3．两类变压器 (1)降压变压器： 副线圈 的电压比 原线圈 电压低的变压器． (2)升压变压器： 副线圈 的电压比 原线圈 电压高的变压器． 4．变压器电能输送：变压器输送电能是利用了 电磁感应 ． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)理想变压器原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比．( √ ) (2)实际变压器输入功率一定大于输出功率．( √ ) (3)学校中用的变压器工作时没有能量损失．( × ) (4)变压器原线圈相对电源而言起负载作用，而副线圈相对负载而言起电源作用．( √ ) 2．如果将变压器的原线圈接到直流电源上，在副线圈上还能输出电压吗？ 提示　不能．变压器的工作原理是互感现象，在原线圈上接直流电源，在铁芯中不会形成变化的磁场，所以在副线圈上不会有感应电动势产生． 理想变压器的特点及原理 ◆[探究导引] 　如图所示，一蓄电池连接在低压交流变压器上，闭合开关会观察到瞬间灯泡发光，然后熄灭，你能解释这种现象发生的原因吗？ 提示　恒定电压加在原线圈上瞬间，线圈内的磁通量发生变化，因而副线圈中的磁通量也发生变化，所以由E＝neq \f(ΔΦ,Δt) 知，副线圈中有感应电动势，灯泡闪亮，之后原线圈中电流恒定，线圈内的磁通量恒定不变，副线圈中无电动势，因而灯泡熄灭． ◆[探究归纳] 1．理想变压器的特点 (1)原、副线圈的电阻不计，不产生热量． (2)变压器的铁芯无漏磁，原、副线圈磁通量无差别． (3)变压器自身的能量损耗不计，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率． (4)原、副线圈的交变电流的周期T和频率f相同． 2．工作原理 变压器的变压原理是电磁感应．如图所示，当原线圈上加交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势．如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，它也在铁芯中产生交变磁通量，在原、副线圈中同样要引起感应电动势．由于互感现象，原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈．其能量转换方式为原线圈电能→磁场能→副线圈电能． [例1]　关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是(　　) A．通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变 B．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等 C．穿过副线圈磁通量的变化使副线圈产生感应电动势 D．原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈 解析：C　[通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的，由于面积S不变，故磁通量Φ变化，A错误；因理想变压器无漏磁，原、副线圈的磁通量总相等，故B错误；由互感现象知C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为副线圈的电能，原、副线圈通过磁联系在一起，故D错误．] [易错警示]　理想变压器的三点注意 (1)变压器不能改变直流电压． (2)变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变交变电流的频率． (3)理想变压器本身不消耗能量． ◆[跟进训练] 1．下列关于变压器的说法正确的是(　　) A．变压器工作的基础是自感现象 B．在原线圈中，电能转化为磁场能 C．电能能够从原线圈传递到副线圈，是因为原、副线圈通过导线连在一起 D．变压器对恒定电流也能变压 解析：B　[变压器工作的基础是原、副线圈的互相感应，并不是自感现象，在原线圈中电能转化为磁场能，副线圈中磁场能转化成电能，电能是通过磁场从原线圈传递到副线圈的，变压器只能对变化的电流有变压作用，综上所述，只有B正确．] 2．(多选)理想变压器正常工作时，在其两侧的原、副线圈中一定相同的物理量是(　　) A．交流电的频率 B．输入、输出功率 C．磁通量的变化率 D．电压的最大值 解析：ABC　[理想变压器原、副线圈中的频率相同，磁通量的变化率相同，电压不一定相同，功率相同．故A、B、C正确，D错误．] 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 1．实验器材 两只多用电表、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器(如图甲)、导线若干． 说明 可拆变压器原、副线圈中的数字0.2表示对应接线柱间的匝数是200匝，0.4表示对应接线柱间的匝数是400匝，其余类似． 2．实验步骤 (1)按图乙所示连接好电路，将两个多用电表调到交流电压档，并记录两个线圈的匝数． (2)接通学生电源，读出电压值，并记录在表格中． (3)保持匝数不变，多次改变输入电压，记录每次改变后原、副线圈的电压值． (4)保持输入电压、原线圈的匝数不变，多次改变副线圈的匝数，记录下每次的副线圈匝数和对应的电压值． 3．实验结论 实验分析表明，原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2) 4．注意事项 (1)在改变学生电源的电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作． (2)为了保证人身安全，学生电源的电压不能超过12 V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱． (3)为了保证多用电表的安全，使用交流电压档测电压时，先用最大量程档试测，大致确定被测电压后再选用适当的档位进行测量． 5．实验误差分析 实验中的误差主要是：①实验所用变压器存在各种损耗；②多用电表的读数存在误差． [例2]　在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中． (1)为了确保实验的安全，下列做法正确的是________． A．为了保证人身安全，只能使用低压直流电源，所用电压不要超过12 V B．连接好电路后，可不经检查电路是否正确，直接接通电源 C．因为使用电压较低，通电时可用手直接接触裸露的导线、接线柱 D．为了保证多用表的安全，使用交流电压档测电压时，使用最大量程档试测 (2)某实验小组通过实验，记录的数据如下表： 原线圈匝数n1(匝) 100 200 400 400 副线圈匝数n2(匝) 400 400 200 800 原线圈两端的电压U1(V) 1.96 4.90 8.00 4.86 副线圈两端的电压U2(V) 7.80 9.76 3.90 9.64 通过分析实验数据可得出的实验结论是___________________ _____________________________________________________。 [解析]　(1)变压器改变的是交流电压，因此为了保证人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用电压不超过12 V，A错误；实验通电前必须要先检查电路是否正确，通电时用手接触裸露的导线、接线柱等，会将人体并联入电路中，导致所测数据不准确，同时也有安全隐患，B、C错误；使用多用电表测电压时，先用最高量程档试测，再选用恰当的档位进行测量，故D正确．(2)分析每组实验数据，可知eq \f(U1,U2)与eq \f(n1,n2)的值近似相等，可得出的实验结论是，在误差允许范围内，变压器原、副线圈的电压比等于匝数比． [答案]　(1)D　(2)在误差允许范围内，变压器原、副线圈的电压比等于匝数比 ◆[跟进训练] 　为完成“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验，必须要选用的是________． A．有闭合铁芯的原、副线圈 B．无铁芯的原、副线圈 C．交流电源 D．直流电源 E．多用电表(交流电压档) F．多用电表(交流电流档) 用匝数na＝60和nb＝120的变压器，实验测量数据如表： Ua/V 1.80 2.80 3.80 4.90 Ub/V 4.00 6.01 8.02 9.98 根据测量数据可判断连接电源的线圈是________(填“na”或“nb”)． 解析：变压器只能改变交流电压，需要使用交流电源，为了探究电压与匝数关系，多用电表应使用交流电压档；为了让变压效果明显，需要用含有闭合铁芯的原、副线圈，因此正确答案为A、C、E. 由于实际实验中有漏磁的情况，所以副线圈测量电压应该小于理论变压值，可知nb为输入端，na为输出端． 答案：ACE　nb 理想变压器规律及制约关系 ◆[探究导引] 　学生电源(低压交流12 V)，可拆变压器，多用表(交流电压档)，电路图如图所示．对于理想变压器，只有一组副线圈的情况下，原线圈和副线圈的电流跟它们的匝数的关系． 提示　eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1).因为P1＝P2，即I1U1＝I2U2，又eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)，所以推导出eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1). ◆[探究归纳] 1．理想变压器的基本规律 (1)电压关系 由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端的电压U1＝E1，副线圈两端的电压U2＝E2，所以eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2).当有n组线圈时，则有：eq \f(U1,n1)＝eq \f(U2,n2)＝eq \f(U3,n3)…. (2)功率关系 对于理想变压器，不考虑能量损失，P入＝P出． (3)电流关系 ①由功率关系，当只有一个副线圈时，I1U1＝I2U2，得eq \f(I1,I2)＝eq \f(U2,U1)＝eq \f(n2,n1). ②当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…，得 I1n1＝I2n2＋I3n3＋…. 2．理想变压器各物理量间的制约关系 (1)输入电压决定输出电压：由eq \f(U1,n1)＝eq \f(U2,n2)，得U2＝eq \f(n2,n1)U1. 当U1不变时，U2也不会变，与负载电阻R多大及是否变化无关． (2)输出功率决定输入功率：对理想变压器P出＝P入． (3)负载决定输出电流：当U1一定时，U2也一定，对副线圈有I2＝eq \f(U2,R)，所以当R变化时，I2也随之变化，即R变大，I2变小；R变小，I2变大． (4)输出电流决定输入电流：由n1I1＝n2I2得I1＝eq \f(n2,n1)I2，所以当I2变化时，I1也随之变化．即I2变大，I1变大；I2变小，I1也变小． [例3]　 (多选)如图所示，一理想变压器的原线圈匝数n1＝1 100匝，副线圈匝数n2＝220匝．交流电源的电压u＝220eq \r(2) sin 100 πt(V)，电阻R＝44 Ω，电压表、电流表均为理想交流电表，则下列说法正确的是(　　) A．副线圈中交变电流的频率为50 Hz B．电压表的示数为44 V C．电流表A1的示数为0.2 A D．电流表A2的示数为1.4 A 解析：ABC　[根据交流电源的电压u＝220eq \r(2)sin 100πt V可知，该交流电源的电压的最大值为220eq \r(2)V，电压的有效值为220 V，频率为50 Hz，变压器可以改变交变电压和交变电流的大小，但不改变交变电流的频率，故副线圈中交变电流的频率为50 Hz，选项A正确；交流电表的示数为有效值，根据变压器原、副线圈的电压关系eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)，得U2＝44 V，即电压表的示数为44 V，由欧姆定律得I2＝eq \f(U2,R)＝1 A，根据变压器原、副线圈的电流关系eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)，得I1＝0.2 A，即电流表A1的示数为0.2 A，A2的示数为1 A，选项B、C正确，D错误．] [例4]　如图所示，为一理想变压器，S为单刀双掷开关，P为滑动变阻器触头，U1为加在原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流强度，则以下说法错误的是(　　) A．保持U1及P的位置不变，S由a合到b时，I1将增大 B．保持P的位置及U1不变， S由b合到a时，R消耗的功率将减小 C．保持U1不变， S合在a处，使P上滑，I1将增大 D．保持P的位置不变， S合在a处，若U1增大，I1将增大 解析：C　[S由a合到b时，n1减小，由eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)可知U2增大，P2＝eq \f(U\o\al(2,2),R)，P2随之增大，而P2＝P1，又P1＝U1I1，从而I1增大，A正确；S由b合到a时，与上述情况相反，P2应减小，B正确；P上滑时，R增大，因P2＝eq \f(U\o\al(2,2),R)，所以P2减小，又P1＝P2，P1＝U1I1，从而I1减小，C错误；U1增大，由eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)可知U2增大，所以P2增大，因而I2增大，由eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)，所以I1也增大，D正确．] [规律总结]　两类理想变压器的动态分析问题 (1)原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P2→P1→I1. (2)负载电阻不变，分析各物理量随原、副线圈匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1. ◆[跟进训练] 1．一电器中的变压器可视为理想变压器，它将220 V 交变电流改变为110 V．已知变压器原线圈匝数为800，则副线圈匝数为(　　) A．200　　　　　　 B．400 C．1 600 D．3 200 解析：B　[根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系 eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)，得n2＝eq \f(n1U2,U1)＝eq \f(800×110,220)＝400，选项B正确．] 2．(多选)如图所示，理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R.开始时，开关S断开．当开关S接通时，以下说法中正确的是(　　) A．副线圈两端M、N的输出电压减小 B．副线圈输电线等效电阻R上的电压增大 C．通过灯泡L1的电流减小 D．原线圈中的电流增大 解析：BCD　[由于输入电压不变，所以当S接通时，理想变压器副线圈M、N两端输出电压不变．并联灯泡L2，总电阻变小，由欧姆定律I2＝eq \f(U2,R2) 知，流过R的电流增大，电阻上的电压UR＝IR增大．副线圈输出电流增大，根据输入功率等于输出功率I1U1＝I2U2得，I2增大，原线圈输入电流I1也增大．UMN不变，UR变大，所以UL1变小，流过灯泡L1的电流减小．综上所述，选项B、C、D正确．] [易错点1]　对变压器的工作原理理解不透彻 [例1]　 (多选)在绕制变压器时，某人误将两个线圈绕在如图 所示变压器铁芯的左右两个臂上，当通以交变电流时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂，已知线圈1、2的匝数比n1∶n2＝2∶1，在不接负载的情况下(　　) A．当线圈1输入电压为220 V时，线圈2输出电压为110 V B．当线圈1输入电压为220 V时，线圈2输出电压为55 V C．当线圈2输入电压为110 V时，线圈1输出电压为220 V D．当线圈2输入电压为110 V时，线圈1输出电压为110 V [错解]　AC [错因分析]　对变压器的工作原理理解不透彻，盲目套用eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)而错选A、C两个选项． [正解]　BD [解析]　闭合铁芯中多了一个中间的臂，导致每个线圈中产生的交变磁通量，只有一半通过另一个线圈，而另一半通过中间的臂，这就导致线圈中的感应电动势只有全部通过时的一半．设线圈1两端输入电压为U1时，线圈2输出电压为U2，根据法拉第电磁感应定律有U1＝n1eq \f(ΔΦ1,Δt)，U2＝n2eq \f(ΔΦ2,Δt)，当线圈1输入电压为220 V时，Φ1＝2Φ2，即eq \f(ΔΦ1,Δt)＝2eq \f(ΔΦ2,Δt)，可得eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1\f(ΔΦ1,Δt),n2\f(ΔΦ2,Δt))＝eq \f(n1×2,n2)＝4解得U2＝55 V， 选项B正确．当线圈2输入电压为110 V时，同理Φ′2＝2Φ′1，eq \f(U′2,U′1)＝eq \f(n2\f(ΔΦ′2,Δt),n1\f(ΔΦ′1,Δt))＝eq \f(n2×2,n1)＝1，所以U′1＝U′2＝110 V，选项D正确． [误区警示]　 普通变压器的原线圈中磁通量发生变化时，环形铁芯中各处磁通量变化率eq \f(ΔΦ,Δt)都相等；当遇到“eq \x(　|　)”形变压器时(如图所示)，若标“1”处为输入端，那么根据变压器的变压原理和法拉第电磁感应定律，有U1＝n1eq \f(ΔΦ1,Δt)，U2＝n2eq \f(ΔΦ2,Δt)，U3＝n3eq \f(ΔΦ3,Δt) 理想变压器无漏磁，有eq \f(ΔΦ1,Δt)＝eq \f(ΔΦ2,Δt)＋eq \f(ΔΦ3,Δt) 此式适用于交变电流或电压(电流)变化的直流电，但不适用于恒定电流． [易错点2]　不能正确分析变压器的动态变化问题 [例2]　如图所示，是通过变压器给用户供电的示意图，变压器的输入电压是电网电压，基本稳定，输出电压通过输电线输送给用户．输电线的电阻用R0表示，用变阻器的电阻R表示用户用电器的总电阻，当变阻器的滑动触头P向上移动时，以下说法正确的是(　　) A．相当于增加用电器的个数 B．V1的示数随V2示数的增大而增大 C．A1的示数随A2示数的增大而增大 D．变压器的输入功率减小 [错解]　AB [错因分析]　不明确线路中负载增加或减少与电阻变化的对应关系，误认为负载增加时，电阻增大，负载减少时，电阻减小．误认为变压器的输入电压由输出电压决定． [正解]　CD [解析]　当变阻器的滑动触头P向上移动时，用电器的总电阻增大，相当于并联的用电器数目减少，同时变压器的输入功率减小，由于电网电压u不变，所以两个电压表的示数不变，故选项A、B均错误，D正确；由于变压器的输出功率决定输入功率，所以A1的示数随A2示数的增大而增大，故选项C正确． [误区警示]　对理想变压器，要注意以下两点：(1)副线圈的路端电压U2由输入电压U1和匝数比eq \f(n2,n1)共同决定，与负载电阻的大小无关．(2)变压器的输出功率和输入功率遵循“用多少送多少”的原则，原线圈中的输入电流I1是由副线圈中的输出电流I2决定的，原、副线圈各一个绕组时，I1＝eq \f(n2,n1)I2，副线圈有多个绕组时，由P入＝P出的功率关系来确定． ◆[课堂小结] 1. (变压器的工作原理)(多选)如图是一个理想变压器的示意图，在它正常工作时关于其说法正确的是(　　) A．副线圈中的电动势是因为电磁感应而产生的 B．输送的电能经变压器先转化为磁场能，再转化为电能 C．输送的电能经变压器先转化为电场能，再转化为电能 D．输送的电能经变压器的铁芯直接传输过去 解析：AB　[变压器的原理是原线圈的电流发生变化，从而引起副线圈中磁通量变化，产生电动势，故A正确；变压器电能的输送是电能经变压器先转化为磁场能，再转化为电能输送到副线圈电路中，故B正确，C、D错误．] 2．(变压器规律及制约关系)在如图所示的电路中，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2∶n3＝6∶3∶1，电流表均为理想交流电流表，两电阻阻值相同．当在原线圈两端加上大小为U的交变电压时，三个电流表的示数之比I1∶I2∶I3为(　　) A．1∶2∶3　　　　　　 B．1∶2∶1 C．1∶3∶6 D．5∶9∶3 解析：D　[由理想变压器原、副线圈的电压比等于匝数比可知eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)，eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)，解得U2＝eq \f(1,2)U，U3＝eq \f(1,6)U，设电流表A3的示数为I，即I3＝I＝eq \f(U3,R)＝eq \f(U,6R)，则I2＝eq \f(U2,R)＝eq \f(U,2R)＝3I，理想变压器输入功率与输出功率相等，即U1I1＝U2I2＋U3I3，解得I1＝eq \f(5,3)I，则I1∶I2∶I3＝5∶9∶3，故D正确，A、B、C错误．] 3．(变压器规律及制约关系)如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，○V和Ⓐ均为理想电表，灯泡电阻RL＝6 Ω，AB两端电压u1＝12eq \r(2)sin 100πt(V)．下列说法正确的是(　　) A．电流频率为100 Hz B．○V的读数为24 V C．Ⓐ的读数为0.5 A D．变压器输入功率为6 W 解析：D　[根据u1＝12eq \r(2)sin 100πt(V)及U＝eq \f(Um,\r(2))知U1＝12 V，f＝eq \f(ω,2π)＝50 Hz，选项A错误；根据eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)得U2＝eq \f(n2,n1)U1＝eq \f(1,2)×12 V＝6 V，即f(U2,RL) INCLUDEPICTURE "../Documents%20and%20Settings/Administrator/Application%20Data/Microsoft/Word/V.TIF" \* MERGEFORMAT 的读数为6 V，选项B错误；又I2＝＝eq \f(6,6) A＝1 A，即Ⓐ的读数为1 A，选项C错误；根据P1＝P2及P2＝eq \f(U\o\al(2,2),RL)＝eq \f(62,6) W＝6 W，选项D正确．] 4．(变压器中的动态分析)如图，理想变压器原线圈输入电压u＝Umsin ωt，副线圈电路中R0为定值电阻，R是滑动变阻器. INCLUDEPICTURE "../Documents%20and%20Settings/Administrator/Application%20Data/Microsoft/Word/V1.TIF" \* MERGEFORMAT 和是理想交流电压表，示数分别用U1和U2表示；和是理想交流电流表，示数分别用I1和I2表示．下列说法正确的是(　　) A．I1和I2表示电流的瞬时值 B．U1和U2表示电压的最大值 C．滑片P向下滑动过程中，U2不变、I1变大 D．滑片P向下滑动过程中，U2变小、I1变小 解析：C　[交流电压表和交流电流表显示的示数都为有效值，A、B错误．由于输入端电压U1和理想变压器匝数比不变，所以U2不变．滑片P向下滑动过程中，电阻变小，电流I2变大，输出功率变大，则输入功率变大，电流I1变大，C正确，D错误．] 5．(变压器的工作原理)如图所示，变压器的输入电压U1一定，原线圈匝数为n1，两个副线圈的匝数分别是n2和n3.当把电热器接a、b，让c、d空载时，电流表读数是I1；当把同一电热器接c、d，而a、b空载时，电流表读数是I′1，则I1∶I′1等于(　　) A．n2∶n3　　　　　　 B．n3∶n2 C．neq \o\al(2,2)∶neq \o\al(2,3) D．neq \o\al(2,3)∶neq \o\al(2,2) 解析：C　[由电压比知eq \f(U1,n1)＝eq \f(U2,n2)＝eq \f(U3,n3)，由P2＝P1知，当电热器接a、b，让c、d空载时，有I1U1＝eq \f(U\o\al(2,2),R)；当把同一电热器接c、d而a、b空载时，有I′1U1＝eq \f(U\o\al(2,3),R)，所以I1∶I′1＝Ueq \o\al(2,2)∶Ueq \o\al(2,3)＝neq \o\al(2,2)∶neq \o\al(2,3).] $$